CN111982760B - 爆轰波加载实验装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种爆轰波加载实验装置，包括：爆轰加载系统及加载平台；所述爆轰加载系统包括爆轰燃烧室、加速器及封闭件；所述爆轰燃烧室设有一进气口、一点火器连接口及一喷气口；所述封闭件位于所述喷气口处，用于密封所述喷气口；所述加速器位于所述点火器连接口处，用于对火焰加速形成爆轰波；所述加载平台，包括相互平行间隔设置的第二面板和第一面板，所述第一面板设有一对接所述喷气口的通孔，所述第二面板位于所述通孔一侧，以使得由所述通孔喷发出的所述爆轰波对颗粒材料进行加载。可以对颗粒材料的抛洒、分散进行加载。
Description
技术领域
本发明涉及一种爆轰起爆技术领域，尤其涉及一种爆轰波加载实验装置。
背景技术
颗粒物质的抛洒及分散不管是在自然灾害方面、民用方面、军事工程方面还是工业安全方面都有广泛的应用，如自然界中的火山爆发火山灰的喷发、民用中的粉末灭火剂、国防军事方面的云爆弹、温压弹等的前期抛洒过程，粉尘爆炸中颗粒受到冲击作用产生扬尘，超细灭火剂中对灭火颗粒的抛洒等。其核心问题就是颗粒材料在冲击载荷作用下的界面失稳、颗粒射流成长演化等基础科学问题。
设计合理有效的加载装置对颗粒材料的抛洒、分散过程进行研究，是促进上述民用和军事工程发展以及预防自然、工业伤害的关键。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种爆轰波加载实验装置，可以对颗粒材料的抛洒、分散进行加载。
本申请一实施方式提供一种爆轰波加载实验装置，包括：爆轰加载系统及加载平台；
所述爆轰加载系统包括爆轰燃烧室、加速器及封闭件；所述爆轰燃烧室设有一进气口、一点火器连接口及一喷气口；
所述封闭件位于所述喷气口处，用于密封所述喷气口；
所述加速器位于所述点火器连接口处，用于对火焰加速形成爆轰波；
所述加载平台，包括间隔设置的第二面板和第一面板，所述第一面板设有一对接所述喷气口的通孔，所述第二面板位于所述通孔一侧，以使得由所述通孔喷发出的所述爆轰波对颗粒材料进行加载。
根据本申请的一些实施方式，所述爆轰燃烧室包括加速部和传输部；
所述加速部一端设有所述点火器连接口，所述加速部另一端与所述传输部的一端垂直连接，以使得所述加速部与所述传输部之间连通；
所述传输部的另一端设有所述喷气口。
根据本申请的一些实施方式，所述加速部包括第一管道或第一容器；
所述传输部包括第二管道或第二容器。
根据本申请的一些实施方式，所述爆轰波加载实验装置还包括：
设于所述爆轰燃烧室上的压力传感器；
所述压力传感器用于对所述爆轰燃烧室内的压力进行检测。
根据本申请的一些实施方式，所述爆轰波加载实验装置还包括采集装置；
所述采集装置电连接所述压力传感器，用于采集所述压力传感器的检测数据。
根据本申请的一些实施方式，所述爆轰波加载实验装置还包括一摄像装置；
所述摄像装置设于所述加载平台上方，用于在所述爆轰波对颗粒材料进行加载时，进行拍摄。
根据本申请的一些实施方式，所述爆轰波加载实验装置还包括一同步控制器；
所述同步控制器电连接所述点火器连接口的开关、所述采集装置及所述摄像装置，以实现对所述点火器连接口的开关、所述采集装置及所述摄像装置的同步控制。
根据本申请的一些实施方式，所述爆轰波加载实验装置还包括一充配气系统；
所述充配气系统包括配气控制面板、预混气储气罐及真空泵；
所述配气控制面板电连接所述预混气储气罐及所述真空泵；
所述预混气储气罐连接所述进气口，所述真空泵连接所述预混气储气罐及其对应的管道。
根据本申请的一些实施方式，所述加速器包括螺纹管。
根据本申请的一些实施方式，所述第一面板和所述第二面板为圆状透明面板。
本申请实施方式提供的爆轰波加载实验装置，在向爆轰燃烧室放入气体后，由封闭件密封所述爆轰燃烧室的所述喷气口，避免气体由喷气口流出，使得所述爆轰燃烧室装载气体，在所述点火器连接口出连接一点火器，在点火器点燃气体后，由加速器对火焰进行加速，形成了爆燃转爆轰过程，形成稳定的爆轰波冲破所述封闭件，由所述喷气口喷出，通过所述通孔进入所述加载平台，通过所述加载平台观测所述爆轰波对颗粒材料进行加载过程。如此，本申请实施方式提供的爆轰波加载实验装置，结构设计合理，且对颗粒材料的抛洒、分散进行加载。
附图说明
图1是根据本申请一实施方式的爆轰波加载实验装置结构示意图。
图2是根据本申请一实施方式的充配气系统结构示意图。
图3是根据本申请一实施方式的压力测试结果图。
主要元件符号说明
爆轰波加载实验装置 100
爆轰加载系统 10
加载平台 20
压力传感器 30
采集装置 40
摄像装置 50
同步控制器 60
充配气系统 70
点火器 80
垫片 90
爆轰燃烧室 11
加速器 12
封闭件 13
进气口 14
点火器连接口 15
喷气口 16
配气控制面板 71
预混气储气罐 72
真空泵 73
传输部 17
加速部 18
第二面板 21
第一面板 22
通孔 23
颗粒材料 24
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。
基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都是属于本申请保护的范围。
请参阅图1，本申请一实施方式提供一种爆轰波加载实验装置100，包括爆轰加载系统10、加载平台20、压力传感器30、采集装置40、摄像装置50、同步控制器60及充配气系统70；
在本申请实施例中，所述爆轰加载系统10包括爆轰燃烧室11、加速器12及封闭件13。所述爆轰加载系统10用于形成稳定爆轰波，由稳定爆轰波作为加载能源，其加载能力更大更稳定，实现由一道强冲击波对颗粒材料24进行加载，保证加载实验的有效进行。
在本申请实施例中，所述爆轰燃烧室11设有一进气口14、一点火器连接口15及一喷气口16。
在本申请实施例中，所述进气口14用于接入气体或抽出气体，以使得所述爆轰燃烧室11装载对应的气体或形成真空。
请一并参阅图2，所述进气口14连接充配气系统70。所述充配气系统70包括配气控制面板71、预混气储气罐72及真空泵73，所述配气控制面板71电连接所述预混气储气罐72及所述真空泵73，所述预混气储气罐72连接所述进气口14，所述真空泵73连接所述预混气储气罐72及其对应的管道。
在本申请实施例中，如图2所示，根据道尔顿分压定律基本原理，利用真空计和压力表配得合适当量比的预混气，所述预混气为爆炸性混合气体与强氧化剂的混合，如纯氧与氯气、甲烷与纯氧的预混气，将配置好的当量比的甲烷和纯氧预混气存储至所述预混气储气罐72，再通过所述配气控制面板71控制所述预混气储气罐72的开关，所述预混气储气罐72通过所述进气口14将所述当量比的甲烷和纯氧预混气输入至所述爆轰燃烧室11。通过预先配置好预混气，可以避免直接将爆炸性混合气体和强氧化剂(如甲烷和纯氧、氢气和氧气)接入至所述爆轰燃烧室11导致气体混合过程中引发的危险。
在本申请实施例中，在将配置好的所述当量比的甲烷和纯氧预混气输入至所述爆轰燃烧室11前，通过所述真空泵73将所述充配气系统70的内部管道如预混气储气罐72对应的管道及所述预混气储气罐72抽成真空。在其中一种可能实现方式中，所述真空泵73还可以连接所述爆轰燃烧室11，将所述爆轰燃烧室11抽成真空。
在本申请实施例中，所述点火器连接口15连接一点火器80，所述点火器连接口15是密闭的，以在打开所述点火器连接口15的开关时，就能通过所述点火器连接口15将所述爆轰燃烧室11内的预混气点燃。所述点火器连接口15的开关可以是点火器连接口15与点火器80连接之间的开关，还可以是点火器80上对应的开关。
在本申请实施例中，所述喷气口16用于在所述爆轰燃烧室11内形成爆轰波时，所述爆轰波从所述喷气口16喷发而出。
所述封闭件13位于所述喷气口16处，用于密封所述喷气口16，以避免由所述进气口14输入的预混气从所述喷气口16泄露。
在其中一种可能实现方式中，所述封闭件13可以为薄膜、活塞等，在所述爆轰波的冲击力下可以将封闭件冲破，爆轰波由所述喷气口16喷发而出。所述薄膜可以为BOPP塑料薄膜。
根据本申请的一些实施方式，所述爆轰燃烧室11包括加速部18和传输部17。所述加速部18一端设有所述点火器连接口15，所述加速部18另一端与所述传输部17的一端垂直连接，以使得所述加速部18与所述传输部17之间连通，所述传输部17的另一端设有所述喷气口16。
在本申请实施例中，所述加速部18用于放置所述加速器12，所述加速器12位于所述点火器连接口15处，用于对火焰进行加速形成爆轰波。所述传输部17用于将得到的爆轰波导向所述通孔23。所述加速部18另一端与所述传输部17的一端垂直连接，形成“L”型。
根据本申请的一些实施方式，所述加速器12包括螺纹管、螺旋状的环板。
根据本申请的一些实施方式，所述加速部18包括第一管道或第一容器，所述传输部17包括第二管道或第二容器。所述加速部18和所述传输部17可以为管道或是容器。
需要说明的是，由于所述预混气在点火以后到爆轰是需要一段发展过程，在常压非扰动的初始条件下，在管子或小直径容器中爆轰的形成与管道或容器的长径比有关。在其中一种可能实现方式中，所述加速部18可以是长度为300mm～800mm的管道，所述传输部17可以是长度为300mm～800mm的管道，本申请对此不作具体限定。如图1所示，所述加速部18为600mm的管道，所述传输部17为400mm的管道。
所述加载平台20，包括相互平行间隔设置的第二面板21和第一面板22，所述第一面板22位于所述第二面板21下方，所述第二面板21位于所述第一面板22上方，所述第一面板22设有一对接所述喷气口16的通孔23，在所述第一面板22上放置所述颗粒材料24，以使得由所述通孔23喷发出的所述爆轰波对颗粒材料24进行加载。
在其中一种可能实现方式中，所述加载平台20还包括垫片90，所述垫片90设置在所述第二面板21和所述第一面板22之间，用于将所述第二面板21和所述第一面板22分隔开以形成容置待抛撒颗粒材料2424的间隙。
根据本申请的一些实施方式，所述第二面板21和所述第一面板22为圆状透明面板，所述透明面板为有机玻璃，有机玻璃具有较好的透明度和强度。在其它实施例中，所述透明面板可以采用其它材质。
在本申请实施例中，所述第二面板21和所述第一面板22之间的间隔不超过10mm，基于所述间隔很薄，因此可视为准二维结构，即一圆形。
在本申请实施例中，由所述预混气产生的柱面爆轰波在通过传输部17传输至所述喷气口16，并进入所述通孔23，所述第二面板21位于所述通孔23一侧，所述爆轰波由所述通孔23上升至所述第二面板21处反射，在反射区域产生复杂流场，以在所述第二面板21和所述第一面板22形成马赫反射，经过复杂的入射反射后，形成稳定的冲击波在所述第二面板21和所述第一面板22之间向四周径向传播，实现对颗粒材料24的径向加载，通过调节初始压力对加载压力进行调节，得到稳定的、可重复的加载压力。
下面简述所述加速器12对火焰加速形成爆轰波的原理：
在一个装有预混可燃气体的混合物的罐子里，一端封闭，在靠近封闭端处，点火器80点燃火焰，形成爆燃波，爆燃波从封闭端向另一端传播，火焰在加速器12的作用下产生湍流，火焰传播速度急剧增加，形成爆轰波。
根据本申请的一些实施方式，所述爆轰波加载实验装置100还包括设于所述爆轰燃烧室11上的压力传感器30，所述压力传感器30用于对所述爆轰燃烧室11内的压力进行检测。
需要说明的是，压力的增加会导致反应速度的增加，进而增加气体压力从而使分解速度增加，并发展为爆轰速度。通过调节初始压力实现超压、冲量等加载参数的可调功能。所述“L”型爆轰燃烧室11可以使形成的爆轰波可控。
在其中一种可能实现方式中，在所述加速部18和所述传输部17上均可设置至少一个压力传感器30，所述压力传感器30感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号。如图1所示，在加速部设置两个压力传感器30，在传输部设置三个压力传感器30。
根据本申请的一些实施方式，所述爆轰波加载实验装置100还包括采集装置40，所述采集装置40电连接所述压力传感器30，用于采集所述压力传感器30的检测数据。
在本申请实施例中，通过采集装置40采集压力传感器30检测到的电信号。
根据本申请的一些实施方式，所述爆轰波加载实验装置100还包括一摄像装置50，所述摄像装置50设于所述加载平台20上方，用于在所述爆轰波对颗粒材料24进行加载时，进行拍摄。
在本申请实施例中，所述摄像装置50可以为高速相机，在所述爆轰波对颗粒材料24进行加载时，进行拍摄。
根据本申请的一些实施方式，所述爆轰波加载实验装置100还包括一同步控制器60，所述同步控制器60电连接所述点火器连接口15的开关、所述采集装置40及所述摄像装置50，以实现对所述点火器连接口15的开关、所述采集装置40及所述摄像装置50的同步控制。
在本申请实施方式中，所述同步控制器60同时输出控制信号至所述采集装置40、所述点火器连接口15的开关及摄像装置50，通过所述同步控制器60同步所述摄像装置50的拍摄与火焰点燃及对爆轰燃烧器内的压力检测，实现在火焰点燃的同时就触动对压力的检测及摄像装置50的拍摄。
下面简述爆轰波加载实验装置100的工作过程：
将待抛撒的颗粒材料24放置在所述第二面板21和所述第一面板22之间。所述待抛撒颗粒材料24可以为圆环状，待抛撒颗粒材料24的内环对准所述通孔23，所述圆环状的待抛撒颗粒材料24的厚度与所述第二面板21和所述第一面板22之间的间距相等，间距不超过10mm。所述待抛撒颗粒材料24包括固体颗粒、液体或固液混合物中的任意一种。通过所述配气控制面板71控制所述真空泵73对所述预混气储气罐72及其对应的管道抽真空，然后将配好当量比的甲烷和纯氧预混气存储至所述预混气储气罐72，通过所述配气控制面板71控制所述预混气储气罐72的开关，所述混气储气罐内的预混气输入至所述爆轰燃烧室11。在同步控制器60控制下，点燃火焰、对爆轰燃烧室11压力进行检测及拍摄同步进行，点火器80通过所述点火器连接口15将气体点燃，火焰在所述加速器12的作用下形成爆燃转爆轰过程(DDT)，形成稳定的爆轰波由所述喷气口16喷出至所述通孔23，在所述第二面板21的阻挡下，所述爆轰波向四周径向扩散，推动所述待抛撒的颗粒材料24向四周进行径向运动，所述摄像装置50拍摄下所述爆轰波推动所述待抛撒的颗粒材料24向四周进行径向运动的过程，同时还可以获得所述爆轰波形成至推动所述待抛撒的颗粒材料24向四周进行径向运动过程的压力。
在本申请实施例中，可以在所述第二面板21上设置所述压力传感器30，通过所述压力传感器30测试爆轰波的压力。请参阅图3，曲线1是距离所述通孔23的距离为20mm处的爆轰波压力，曲线2是距离所述通孔的距离为27.5mm处的爆轰波压力，曲线3是距离所述通孔23的距离为40mm处的爆轰波压力。曲线1、2及3随着时间移动其压力也不同，随着距离所述通孔23的距离不同，其压力也不同。通过所述爆轰波对颗粒材料的加载实现稳定的加载压力。
本申请实施方式提供的爆轰波加载实验装置，利用道尔顿分压定律得到当量比的预混气，将预混气用于实验可避免气体混合存在危险，利用点火器点燃可燃预混气，螺纹管使火焰加速，在爆轰燃烧室小长径比的情况下形成爆轰波，得到稳定的爆轰波，利用加载平台实现径向、准二维、可调的爆轰加载方式，并利用同步控制器实现了压力数据和图像数据的同步采集。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将本申请上述的实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。
Claims (9)
1.一种爆轰波加载实验装置，其特征在于，包括：爆轰加载系统及加载平台；
所述爆轰加载系统包括爆轰燃烧室、加速器及封闭件；所述爆轰燃烧室设有一进气口、一点火器连接口、一喷气口、加速部和传输部；
所述加速部一端设有所述点火器连接口，所述加速部另一端与所述传输部的一端垂直连接，以使得所述加速部与所述传输部之间连通，所述加速部长于所述传输部；
所述传输部的另一端设有所述喷气口；
所述封闭件设置于所述喷气口处，用于密封所述喷气口；
所述加速器位于所述加速部内，且设置于所述点火器连接口处，用于对火焰加速形成爆轰波；
所述加载平台包括间隔设置的第一面板和第二面板，所述第一面板设有与所述喷气口相对接的通孔，所述第二面板位于所述通孔一侧，以使得由所述通孔喷发出的所述爆轰波对颗粒材料进行加载。
2.如权利要求1所述的爆轰波加载实验装置，其特征在于，所述加速部包括第一管道或第一容器；
所述传输部包括第二管道或第二容器。
3.如权利要求1或2所述的爆轰波加载实验装置，其特征在于，还包括：
设于所述爆轰燃烧室上的压力传感器；
所述压力传感器用于对所述爆轰燃烧室内的压力进行检测。
4.如权利要求3所述的爆轰波加载实验装置，其特征在于，还包括采集装置；
所述采集装置电连接所述压力传感器，用于采集所述压力传感器的检测数据。
5.如权利要求4所述的爆轰波加载实验装置，其特征在于，还包括一摄像装置；
所述摄像装置设于所述加载平台上方，用于在所述爆轰波对颗粒材料进行加载时，进行拍摄。
6.如权利要求5所述的爆轰波加载实验装置，其特征在于，还包括一同步控制器；
所述同步控制器电连接所述点火器连接口的开关、所述采集装置及所述摄像装置，以实现对所述点火器连接口的开关、所述采集装置及所述摄像装置的同步控制。
7.如权利要求1所述的爆轰波加载实验装置，其特征在于，还包括一充配气系统；
所述充配气系统包括配气控制面板、预混气储气罐及真空泵；
所述配气控制面板电连接所述预混气储气罐及所述真空泵；
所述预混气储气罐连接所述进气口，所述真空泵连接所述预混气储气罐及其对应的管道。
8.如权利要求1所述的爆轰波加载实验装置，其特征在于，所述加速器包括螺纹管。
9.如权利要求1所述的爆轰波加载实验装置，其特征在于，所述第一面板和所述第二面板为圆状透明面板。
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